解密东亚气候“风云故事”

——记国家自然科学基金创新研究群体项目“东亚气候系统变化机制及预测方法”

王会军在学术会议上发言。（研究团队供图）

从11月初开始，全中国从北“冻”到南，许多地方比往年更早地迎来了初雪。今年冬天会不会更冷？明年春天和夏天的旱涝情况如何？这些已经成为当下人们最关心的问题。

在科学家看来，想要了解未来一年我国的气候如何变化，必须从理解“东亚气候变化规律和机制”这一科学问题入手。“在‘年际’这样一个时间尺度上，东亚气候变化有什么特征、驱动机制是什么，是我们通过研究想要获得的答案。”中国科学院院士、南京信息工程大学教授王会军告诉《中国科学报》。

自2015年以来，王会军带领的团队在国家自然科学基金创新研究群体项目“东亚气候系统变化机制及预测方法”（以下简称创新群体项目）支持下，围绕中高纬和东亚气候系统多尺度变异规律和机制、中高纬气候系统对东亚气候的影响和过程以及东亚气候系统的预测和预估等方面开展了系统深入的研究，取得若干重要进展。

研究中，他们不仅关注“年际”时间尺度，还关注“年代际”甚至数千年以前的古气候变化，致力于解密东亚气候的“风云故事”。

“冷板凳”赋能极端气候决策

时间回到2014年7月，持续高温、少雨天气导致华北和东北南部地区出现了严重干旱，一些省份的干旱程度甚至创了近60年之最。王会军敏锐地注意到这一现象，迅速投入研究工作中。他们通过系统分析大气环流特征、海温和海冰的作用，发现此次华北干旱事件是由太平洋海温异常、北极海冰异常以及欧洲温度异常综合导致。事实上，从20世纪70年代末开始，东亚季风环流就持续偏弱，导致东亚地区从南向北的水汽输送减少，我国华北地区一直处在干旱状态。王会军最早揭示了东亚季风的这一年代际变化。“年代际尺度的气候变化对国计民生至关重要，例如对华北地区干旱情况的预测将直接影响国家对水资源的决策。”王会军表示。

让基础研究为国家决策赋能是研究团队一路走来的不懈追求。2014年，他们获得创新群体项目支持，在“东亚气候系统变化机制及预测方法”领域开启新征程。

研究团队看到，在全球变暖的背景下，暴雨、干旱、高温等极端天气气候事件的频次和强度都有所增加。气候经常以一种极端的方式呈现在人类面前，这意味着，应对极端气候的防灾减灾工作将面临更大的挑战。

如何将研究成果服务于国家的防灾减灾？这是他们一直关注的问题。洪涝、滑坡泥石流是我国常见的重大灾害，每年均会造成重大的经济损失和人员伤亡，但此前对洪水和泥石流的预报主要停留在经验和统计的基础上，难以满足当前防灾减灾的需求。“我们需要更加精确地知道，在什么时间、什么地点发生多大强度的滑坡，才能指导预警。”王会军解释，“真正科学的办法是从数学和物理角度来构建模型，建立预报系统。”

为此，他们下定决心，瞄准洪涝、滑坡泥石流动力学预报这一难题。其间，几位研究人员潜心致研，克服了发表文章少、出成果慢带来的现实困难，甘愿坐“冷板凳”。最终，建立起一套适合于中国的高分辨率滑坡泥石流动力数值预报系统，如今已在为防灾减灾提供相关帮助。

追踪6000年前古气候

对未来气候如何变化进行更可靠的预测，是气候学界的热门问题。想要预知全球变暖未来走向，从地球漫长的历史中寻找答案是一个有效的途径。

王会军指出：“我们需要距今很长时间的资料，告诉我们过去的气候，在此基础上去分析当时的气候变化是什么原因造成的。”根据这一思路，科学家们会找到若干年前一个类似的气候暖期，了解当时的季风、降水、水文、植被、冰川等特征。

这里的若干年前可能是上百年、上千年，甚至是更久的时间尺度。当现代气象水文观测资料不足以覆盖如此长的时间尺度时，科学家发展了另一种工具——地球系统模式。科研人员用融合了多种复杂大气物理过程的偏微方程组来描述气候系统，方程的求解还需要超级计算机的帮助。

在创新群体项目的支持下，研究人员利用地球系统模式，“穿越”回6000年前全新世中期典型暖期，围绕当时的厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）成因等科学问题进行深入研究。结果表明，一系列综合因素的共同作用导致中全新世ENSO减弱，包括轨道强迫下亚洲和非洲季风降水及东西向环流增强、气候平均的信风加强、太平洋副热带环流增强、温跃层响应减弱等。

在创新群体项目成员看来，对古气候的“追踪”，有助于理解当下的全球变暖情况，并以此推测未来气候变化的趋势。

团结一心聚合力

在王会军带领的科研团队中，协作精神得到格外重视。“我们团队中的几位骨干成员已经在一起工作很多年，互相合作已经成为一种习惯。”

定期学术交流是开展协作的重要载体平台，科研人员积极参与则成为团队纪律。一次，针对研究生不积极参加学术活动、不愿分享学术研究的现象，王会军在组会上提出批评。正是在团结合作的氛围中，几位研究方向不同的骨干成员之间真正实现了勠力同心聚合力的效果。

“我们认识到，北极海冰和大气环流的变化，对东亚气候其实是非常重要的。”王会军介绍。敏锐的科学洞察力促使王会军和挪威科学家Ola M. Johannessen于2003年成立了竺可桢—南森国际研究中心（以下简称竺—南中心），致力于中高纬度气候变化的研究。依托该平台，中国和挪威的大气科学家开展紧密合作，为创新群体项目开展东亚气候研究增加了“极地视角”。

例如，创新群体项目成员利用竺—南中心的合作研究，在对华北地区霾事件发生的原因研究中，将霾事件发生的频次与北极海冰覆盖度进行关联，发现二者之间在年际、年代际尺度上呈现反向变化。也就是说，北极海冰覆盖多（少）的日子里，华北发生霾的天数就会变少（多）。

王会军认为，这项研究结果提示我们，除了人类排放的污染物之外，气候驱动因素也是霾天气的“帮凶”。“近几年来，我们明显感到霾变少了，主要得益于大气污染物的治理，但也与中高纬气候系统的变化分不开。”

面向未来，创新群体项目成员们将继续用科技的力量，在复杂的风云变幻中，揭开东亚气候变化之谜。“气候预测非常难，我们还要不断努力，不仅在基础研究中取得突破，还要让科学论文走出实验室，在国家气候预测中体现价值，为国为民服务。”王会军强调。

《中国科学报》：作为从事基础研究的科学家，您如何理解基础研究与实际应用之间的关系？

王会军：我所从事的大气科学中确实有很多非常基础的研究，例如用数学和物理学的理论去描述大气中的非线性过程。这些基础研究看起来距离实际应用很遥远，但经过一段或长或短时间的检验，都会对国计民生产生重要影响。谁能想到当初提出的“蝴蝶效应”、非线性混沌理论会和现在人们的日常生活密切相关？如果没有这些基础研究，我们就不能对大气的可预报性认识得如此深入，也就无法改进我们的预报手段，进而服务国家建设和人民生活。今年诺贝尔物理学奖颁发给大气科学家，表彰他们在复杂系统方面的突破，也证明了基础研究终将走向实际应用。

当然，这要求科学家对现实需求保持高度敏感，要有胸怀祖国、服务人民的精神和情怀。例如，我们会非常关注洪水、干旱、污染等问题，遇到大寒潮、超级梅雨等事件时，都会迅速部署，主动开展研究。只有坚持不懈地去做，才能打通从基础研究到实际应用的全链条。

《中国科学报》：对于东亚气候变化系统研究这一领域未来趋势，您如何把握？

王会军：创新群体项目结束以后，我们获得了国家自然科学基金“气候系统预测研究中心”基础科学中心项目的支持，我们的科学目标也从原来的东亚气候变化机制和预测的问题，扩展、深入到厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）与海温的预测、延伸期天气预报以及年际—年代际气候预测等三大关键科学问题中。

具体而言，ENSO的预报涉及到海洋和大气的复杂耦合，要提高其预报水平，需要构建新的动力模型。延伸期天气预报是2周以上、3个月以内的天气预报，是天气预报领域新的世界性难题，缺乏成熟理论和方法。面向更长期的气候“年代际预测”研究也将被提上日程，这类预报的目标是未来10年，对国家区域性规划、生态建设来说意义重大。